De National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science User Facility bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, is een echt internationale hulpbron. Geowetenschappers uit Australië en Frankrijk trokken onlangs de hele wereld over om NSLS-II's kleine, intense bundels röntgenlicht op dunne monsters nikkelrijk mineraal verzameld uit een mijn in het verre Siberië. Ze scanden deze plakjes geologisch materiaal om te zien welke andere chemische elementen met het nikkel werden geassocieerd. De groep onderzocht ook plakjes mineralen die in een laboratorium waren gekweekt, en vergeleek de resultaten van de twee monstersuites om te leren hoe massieve metaalafzettingen worden gevormd.

Hun experiment was het eerste dat een nieuw geïnstalleerde röntgendetector gebruikte, genaamd Maia, gemonteerd op NSLS-II's Submicron Resolution X-Ray Spectroscopie (SRX) bundellijn. Wetenschappers van over de hele wereld komen naar SRX om high-definition beelden te maken van minerale afzettingen, spuitbussen, algen - zo ongeveer alles wat ze moeten onderzoeken met een resolutie van een miljoenste van een meter. Maia, ontwikkeld door een samenwerking tussen NSLS-II, Brookhaven's Instrumentation Division en de Australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO), kan monstergebieden op centimeterschaal scannen met een resolutie op micronschaal in slechts een paar uur - een proces dat vroeger weken duurde.

"De Maia-detector is een game-changer, zei Jürgen Thieme, hoofdwetenschapper bij de SRX-bundellijn. "Milliseconden per beeldpixel in plaats van seconden is een enorm verschil."

Gebruikers van SRX-bundellijnen hebben nu tijd om gedetailleerde gegevens te verzamelen over grotere gebieden, in plaats van een paar zones te kiezen om op te focussen. Dit vergroot de kans aanzienlijk om zeldzame "naald in een hooiberg"-aanwijzingen voor ertsvormingsprocessen te vangen, bijvoorbeeld.

"Dit is belangrijk als je een paper probeert te publiceren, "zei Thieme. "De redactie wil er zeker van zijn dat je claim gebaseerd is op vele voorbeelden en niet op één willekeurige gebeurtenis."

"We hebben al genoeg gegevens verzameld voor één, zo niet twee papieren, " zei Margaux Le Vaillant, een van de bezoekende gebruikers van CSIRO en hoofdonderzoeker voor dit experiment.

Medewerker Giada Iacono Marziano van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek voegde toe, "Omdat we nu een groter beeld in detail kunnen bekijken, we zouden dingen kunnen zien - zoals bepaalde elementaire associaties - die we niet hebben voorspeld." Dit soort verrassingen stellen wetenschappers voor onverwachte vragen, hun onderzoek in nieuwe richtingen duwen.

Siddons en zijn medewerkers bij Brookhaven Lab en CSIRO hebben Maia-detectoren geleverd aan synchrotron-lichtbronnen over de hele wereld - CHESS aan de Cornell University in New York, PETRA-III in het DESY-laboratorium in Hamburg, Duitsland, en de Australische Synchrotron in Melbourne. De detector bij SRX biedt het voordeel van het gebruik van bundels van NSLS-II, de helderste lichtbron in zijn soort ter wereld.

Snelle chemische vingerafdrukken

Wanneer wetenschappers de röntgenstralen op monsters laten schijnen, ze prikkelen de atomen van het materiaal. Terwijl de atomen terug ontspannen naar hun oorspronkelijke staat, fluoresceren ze, röntgenlicht uitzendt dat de detector oppikt. Verschillende chemische elementen zullen verschillende karakteristieke golflengten van licht uitzenden, dus deze röntgenfluorescentiemapping is een soort chemische vingerafdrukken, waardoor de detector afbeeldingen kan maken van de chemische samenstelling van het monster.

De Maia-detector heeft verschillende functies die hem helpen bij het in kaart brengen van monsters met hoge snelheden en tot in de kleinste details.

"Maia 'stopt en meet' niet zoals andere detectoren, " zei natuurkundige Pete Siddons, die Brookhaven's helft van het project leidde. De meeste detectoren werken in stappen, elke plek op een monster één voor één analyseren, hij legde uit, maar de Maia-detector scant continu. Het team van Siddons heeft Maia geprogrammeerd met een proces dat dynamische analyse wordt genoemd om de verzamelde spectrale röntgengegevens uit elkaar te halen en op te lossen waar verschillende elementen aanwezig zijn.

Maia's analysesystemen maken het ook mogelijk voor wetenschappers om beelden van hun monsters in realtime op het computerscherm te zien verschijnen terwijl Maia scant. Als monsters erg op elkaar lijken, Maia zal de dynamische analyse-algoritmen hergebruiken die het heeft gebruikt om afbeeldingen met meerdere elementen te maken van de fluorescentiesignalen van het eerste monster om de afbeeldingen van het volgende monster in realtime te bouwen, zonder rekenachterstand.

Een deel van Maia's snelheid is ook toe te schrijven aan de 384 kleine foton-detecterende detectorelementen waaruit de grote detector bestaat. Dit grote raster van sensoren kan meer opnieuw uitgezonden röntgenstraling opvangen dan standaarddetectoren, die doorgaans minder dan 10 elementen gebruiken. Het instrumentatieteam van Siddons ontwierp speciale uitleeschips om het grote aantal sensoren aan te kunnen en een efficiënte detectie mogelijk te maken.

Het 20-bij-20 raster van detectoren heeft een gat in het midden, maar dat is de bedoeling, Siddons uitgelegd. "Door het gat kunnen we de detector veel dichter bij het monster plaatsen, " zei Siddons. In plaats van het monster voor de röntgenstraal en de detector aan de zijkant te plaatsen, SRX-straallijnwetenschappers hebben de straal uitgelijnd, steekproef, en detector zodat de röntgenstraal door het gat schijnt om het monster te bereiken. Met deze regeling de detector bestrijkt een groothoek en vangt een groot deel van de gefluoresceerde röntgenstralen op. Door die gevoeligheid kunnen onderzoekers sneller scannen, die kan worden gebruikt om tijd te besparen of om de intensiteit van röntgenstralen die op het monster vallen te verminderen, het verminderen van eventuele schade die de stralen kunnen veroorzaken.

Siddons merkte op dat het team momenteel nieuwe uitleeschips voor de detector ontwikkelt, en met een nieuw type sensor, een silicium driftdetectorarray genoemd. Samen zullen deze het vermogen van de detector vergroten om onderscheid te maken tussen fotonen met vergelijkbare energie, ontvouwen details in complexe spectra en zorgen voor nog nauwkeurigere chemische kaarten.